基于频率漂移补偿的相位敏感光时域反射计

发布时间：2020-03-20 07:26

【摘要】：相位敏感光时域反射计(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR)作为一种较新型的全分布式光纤传感技术,相比于其他光纤传感技术而言,具有较高的响应速度和灵敏度,能够探测到更加微弱的外界扰动事件,不仅可以实现对扰动事件的定位,还可以通过相位信息对外界扰动事件进行解调。Φ-OTDR利用背向传输的瑞利散射光,通过光纤中瑞利相干衰落效应进行传感,只要外界扰动事件引起了光纤长度上波长级别的变化,这个扰动信号就能被Φ-OTDR捕捉。因此Φ-OTDR系统灵敏度很高,常用于探测动态扰动事件、获取动态扰动事件的位置与频率信息。Φ-OTDR系统的灵敏度、动态范围等参数除了受到脉冲的影响之外,还与激光器的线宽、频率稳定性等参数密切相关。Φ-OTDR中使用的窄线宽激光器,如果频率漂移严重,就会导致其曲线发生畸变,不仅降低了信噪比,也会使得整个系统丧失对低频事件以及弱扰动事件的感测能力。针对上述Φ-OTDR的不足之处,本文提出了两种方案,通过改进传统的Φ-OTDR来克服上述问题。同时,通过对激光器的频率漂移进行模拟,探究了激光器频率漂移与由此导致的漂移相位之间的关系。1.提出一种基于马赫—曾德尔干涉仪(MZI)的Φ-OTDR激光器频率漂移补偿系统。通过在Φ-OTDR中引入具有特定光程差的时延光纤和连接光纤,形成一个具有固定臂长差的MZI作为激光器频率监测和频率漂移补偿模块。对系统中MZI的信号强度及其相位信息进行解调,计算出由激光器频率漂移引起的相位变化,通过相位补偿,消除激光器频率漂移对Φ-OTDR传感性能的影响,从而可以实现对Φ-OTDR系统稳定性的直接判断和对原始振动信号的准确恢复,有利于提高系统可靠性。2.提出了一种基于二次相位作差消除Φ-OTDR中频率漂移的方法。在不改变原有传感系统结构的前提下,通过在振动区域或者非振动区域中选取与待补偿信号相同间隔的两个点,利用两点之间的相位差来表征激光器频率漂移的变化,将这个相位差与待补偿信号进行再次作差就可以消除由于激光器频率漂移引起的相位变化。从而消除激光器频率漂移对Φ-OTDR系统传感性能的影响,实现对振动事件的精确恢复,提高系统可靠性。该算法计算简单,可以实现对激光器频率漂移的实时补偿。3.通过模拟探究了线性激光器频率漂移与输出相位之间的关系,在10m光纤长度上通过改变散射点密度、频率漂移的速度,进一步对上述两种激光器频率漂移补偿方法的效果进行了分析。实验中采用的传感光纤长度为6 km,振动信号通过任意函数发生器驱动压电陶瓷施加在传感光纤5km处。通过上述激光器频率漂移补偿方案,可以准确恢复出频率为0.05Hz、振幅为5.89nε的振动信号。实验表明上述两种方案均可以有效改善波形畸变、提高Φ-OTDR系统整体传感性能及其探测能力和系统灵敏度。
【图文】：

光纤长度／米逡逑图１．１邋ＯＴＤＲ中信号光功率曲线逡逑由图１．１可以分析得出ＯＴＤＲ曲线的特征，由于光纤损耗，ＯＴＤＲ的光功率逡逑曲线整体早．现衰减趋势，但是其中Ａ、Ｂ两个位置的光功率出现／突然衰减，发逡逑生了功率突变，这种情况出现的原ｔＡ＿Ｍ＇能是连接头引入的损耗，也T能是光纤断逡逑点或是光纤弯折引入的光功率突然衰减，而图中的Ｃ、Ｄ两点的光功率情况和Ａ，逡逑Ｂ两点的光功率分布恰恰相反，会出现暂时的光功率的突然增长，，这种情况出现逡逑的原因主要是因为在光纤中引入了菲涅尔反射。光在传播过程中，遇到光纤末端逡逑端面或者断点时折射率会发生改变，在这些位置探测光会发生反射和折射，由此逡逑导致光功率的突变。逡逑ＯＴＤＲ传感系统的结构如图１．２所示

Ｄ逡逑光纤长度／米逡逑图１．１邋ＯＴＤＲ中信号光功率曲线逡逑由图１．１可以分析得出ＯＴＤＲ曲线的特征，由于光纤损耗，ＯＴＤＲ的光功率逡逑曲线整体早．现衰减趋势，但是其中Ａ、Ｂ两个位置的光功率出现／突然衰减，发逡逑生了功率突变，这种情况出现的原ｔＡ＿Ｍ＇能是连接头引入的损耗，也T能是光纤断逡逑点或是光纤弯折引入的光功率突然衰减，而图中的Ｃ、Ｄ两点的光功率情况和Ａ，逡逑Ｂ两点的光功率分布恰恰相反，会出现暂时的光功率的突然增长，这种情况出现逡逑的原因主要是因为在光纤中引入了菲涅尔反射。光在传播过程中，遇到光纤末端逡逑端面或者断点时折射率会发生改变
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN248

【参考文献】

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1 龙青云;邓华秋;彭志平;;喇曼散射的数值仿真及其应用探索[J];激光与红外;2014年04期

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3 吕月兰;行永伟;;相位光时域反射计瑞利散射波形特性研究[J];光学学报;2011年08期

4 李科;杨飞;陈峰华;;OTDR原理及其应用[J];山西科技;2010年02期

5 马强;韩加祥;成明;;光纤通信技术的发展与展望[J];科学咨询(决策管理);2010年01期

6 李建中;饶云江;冉曾令;谢孔利;;基于ф-OTDR和POTDR结合的分布式光纤微扰传感系统[J];光子学报;2009年05期

7 王峰;张旭苹;路元刚;董玉明;;提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法[J];光学学报;2008年01期

8 欧进萍;侯爽;周智;A.V.Dyshlyuk;;多段分布式光纤裂缝监测系统及其应用[J];压电与声光;2007年02期

9 胡再新;分布式光纤温度测量系统的原理及应用[J];中国仪器仪表;2004年07期

10 倪亚茹,刘启华;激光技术的发展历程及其主要科学技术源流[J];南京工业大学学报(社会科学版);2004年01期

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2 张博;基于φ-OTDR的高灵敏光纤振动传感器的研究[D];电子科技大学;2015年

3 赵常凯;实时图像去雾方法研究[D];沈阳理工大学;2015年

4 隋红丽;分布式光纤温度传感器机理及其应用技术研究[D];燕山大学;2003年

本文编号：2591460